(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心と、前記固定子鉄心に取付けた固定子巻線とを備えた固定子と、
前記固定子の内部に空隙を介して配置され、永久磁石と界磁巻線とを備えた円筒形回転子と、を有する回転界磁形同期機において、
前記回転子の永久磁石は、磁路の磁気抵抗に対して起磁力が小さくなるように薄板状に形成されるとともに、巻回された前記界磁巻線の内側の部分の回転子鉄心において、半径方向に対して斜めに装着されていることを特徴とする回転界磁形同期機。
【請求項２】
前記永久磁石は、前記界磁巻線の内側の部分の回転子鉄心に、略Ｖ字状に対向状態に装着されていることを特徴とする、請求項１記載の回転界磁形同期機。
【請求項３】
前記永久磁石は、当該永久磁石の内周側の部分が、前記界磁巻線の内側の部分よりはみ出していることを特徴とする、請求項１または請求項２記載の回転界磁形同期機。
【請求項４】
前記回転子鉄心は、前記永久磁石が装着された内回転子鉄心と、当該内回転子鉄心の磁極に巻回された前記界磁巻線の外周側に、前記内回転子鉄心と同軸に嵌合する外回転子鉄心とで構成されていることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかの項に記載の回転界磁形同期機。
【請求項５】
前記回転子鉄心を構成する鋼板は、積層する各々の積層面に、非導電性の皮膜または表面処理による非導電性の化合層を有することを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれかの項に記載の回転界磁形同期機。
【請求項６】
前記外回転子鉄心は、前記内回転子鉄心より軸方向の積厚が大きいことを特徴とする、請求項４または請求項５記載の回転界磁形同期機。
【請求項７】
前記回転子は、前記回転子鉄心、前記界磁巻線、前記永久磁石、および回転子シャフトを含む部品が、樹脂で一体に構成されていること特徴とする、請求項１から請求項６のいずれかの項に記載の回転界磁形同期機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定子巻線を備えた固定子と、永久磁石と界磁巻線とを備えた円筒形回転子を有する回転界磁形同期機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の、回転界磁形同期機には、回転子に界磁巻線を備えたものがある。界磁巻線式の回転子は、界磁巻線への通電量を調整することで磁束量を制御可能とできる利点がある。
一方、従来の、回転界磁形同期機には、回転子に永久磁石を備えたものもある。近年ネオジ磁石等の永久磁石が高性能化され、永久磁石式の回転子を有する回転界磁形同期機は、界磁巻線式に比べ、高磁束密度化による高トルクの発生が可能等の利点が顕著となってきた。しかしながら、永久磁石式の回転子を用いた場合、磁束量が固定され、例えば発電機として用いた時、誘起電圧は回転速度の増加に伴って増大するため、利用できる回転速度が制限されてしまう。また、例えば電動機として用いた時、誘起電圧が電源電圧を上回らない、低速回転範囲のみでの運転に限られてしまう等の不都合がある。
従来の、回転界磁形同期機には、回転子に永久磁石と界磁巻線とを備えたものもある（例えば、特許文献１参照）。
図１３は、従来の、永久磁石と界磁巻線とを備えた円筒形回転子を有する回転界磁形同期機の軸方向断面図であり、特許文献１の図１に示されているものである。
図１３において、回転界磁形同期機は、第１長手方向固定子領域２５と第２長手固定子領域２６とを有する固定子２１を備える。
回転子２０は固定子２１の内側で回転自在に支持され、第１長手方向固定子領域２５の内側で回転する界磁巻線回転子部分２４と、第２固定子領域の内側で回転する永久磁石回転子部分内３８とを備える。
界磁巻線回転子部分の界磁巻線に順方向または逆方向に通電することにより、永久磁石による磁束に、界磁巻線への通電による磁束が加算され、所望の磁束量に制御できるのである。
図１４は、従来の、別の永久磁石と界磁巻線とを備えた円筒形回転子を有する回転界磁形同期機の径方向断面図であり、特許文献２、ｐ８、図１に示されているものである。
図１４において、固定子巻線を装着した固定子６０の内側で、回転子６５は回転自在に支持されている。
回転子６５には、夫々の回転子磁極のほぼ中央部で空隙５９の近傍に、永久磁石５１〜５８が装着され、永久磁石５１〜５８は、交互に極性が反転するように、半径方向に着磁されている。永久磁石が装着された回転子磁極の基部には、界磁巻線６１〜６４が巻回されている。界磁巻線に通電することにより、永久磁石による磁束に、回転子磁極の永久磁石のない部分７１〜７８に界磁巻線への通電による磁束が加算され、所望の磁束量に制御できるのである。
図１５は、界磁巻線を備えていない、従来の、永久磁石を備えた円筒形回転子を有する回転界磁形同期機の径方向断面図であり、特許文献３、ｐ７、図１に示されているものである。
図において、固定子１は、固定子鉄心３と固定子巻線４とを有している。回転子２は、回転子鉄心７aと回転子シャフト８とで構成されている。回転子鉄心７aは、電磁鋼板の積層構成からなる。回転子鉄心７aには、永久磁石埋め込み穴１３が鉄心の周方向に略Ｖ字状に形成され、永久磁石埋め込み穴１３には、着磁された永久磁石１２が磁束が互いに加え合せとなる方向に装着されている。周方向に略Ｖ字状に装着された夫々の永久磁石の間には、鉄心の磁極１４が形成され、磁化容易方向と磁化困難方向を設けることで、回転子に作用する、永久磁石トルクとリラクタンストルクとを、併用できる構造となっている。
特に、磁束が互いに加え合せとなる方向に着磁された永久磁石１２が、略Ｖ字状に向かい合わせて装着されているため、永久磁石による磁束は、略Ｖ字状に挟まれた回転子表面に集中されて磁束密度を向上し、回転子に作用する永久磁石トルクを増大させているのである。
このように、従来の、永久磁石と界磁巻線の両方、または一方を備えた円筒形回転子を有する回転界磁形同期機は、磁束量の最大値を増大し、磁束量を制御可能とすることで、トルク増大等の高性能化と広範囲運転の両立が図られてきたのである。
【特許文献１】特許第３５２４７８３号公報（図１）
【特許文献２】特開２００７−１２４７５５号公報（図１）
【特許文献３】特開２００６−３０４５４６号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の、永久磁石と界磁巻線とを備えた円筒形回転子を有する回転界磁形同期機は、前記回転子に、永久磁石による磁束発生部と界磁巻線への通電による磁束発生部とを設け、永久磁石による固定された磁束に対し、界磁巻線への通電による磁束を増減し、磁束量を制御可能としている。
例えば、磁束量の増大を意図し設計された、永久磁石のみを備えた回転子の磁束量を１として、同じサイズで、均等に２分割された、永久磁石による磁束発生部と界磁巻線への通電による磁束発生部とを備えた回転子の磁束量は、０．５±α、（α＜０．５）となる。
０．５は永久磁石による磁束量であり、α  は、界磁巻線への通電による磁束量である。α  が０．５未満となるのは、界磁巻線への通電量を含めた現実的な設計において、界磁巻線のへの通電による発生する磁束量を、同じサイズの永久磁石により発生する磁束量並とすることは困難だからである。
結論として、永久磁石による磁束発生部と界磁巻線への通電による磁束発生部とを分割して設けた回転子の磁束量は、磁束量の増大を意図し設計された、永久磁石のみを備えた回転子の磁束量に勝ることは出来ない。
特許文献１に示した従来の回転界磁形同期機は、前記のように、永久磁石による磁束発生部と界磁巻線への通電による磁束発生部とを分割して設けた回転子であり、磁束量を制御可能ではあるが、永久磁石のみを備えた回転子の磁束量に勝ることは出来ない。
特許文献２に示した従来の回転界磁形同期機は、前記のように、永久磁石による磁束発生部と界磁巻線への通電による磁束発生部とが、明確に軸方向に分割された回転子ではないが、回転子表面に配置される磁極としては、永久磁石による磁束発生部と界磁巻線への通電による磁束発生部とが分離され、界磁巻線への通電による作用が、永久磁石による磁束量を変化させず、永久磁石による固定された磁束に対し、界磁巻線への通電による磁束を増減して、磁束量を制御可能としていることは、特許文献１と同様であり、磁束量を制御可能ではあるが、永久磁石のみを備えた回転子の磁束量に勝ることは出来ない。
特許文献３に示した従来の回転界磁形同期機は、特許文献１および２で示したように、永久磁石が回転子表面の近傍に、着磁方向を半径方向に一致させて配置されるのではなく、周方向に略Ｖ字状に配置されている。このことは、永久磁石による磁束を集中し、磁束密度を向上して回転子表面に発生させることで、回転子表面の近傍で、着磁方向を半径方向に一致させて配置された永久磁石のみを備えた回転子の磁束量に勝る回転子とできることを示唆していが、磁束量を制御する機能は有していない。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、磁束量の最大値を増大し、磁束量を広範囲に制御可能とすることで、トルク増大等の高性能化と広範囲運転を両立できる、永久磁石と界磁巻線とを備えた円筒形回転子を有する回転界磁形同期機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題を解決するため、実施形態の回転界磁形同期機は、次のように構成したものである。
固定子鉄心と、前記固定子鉄心に取付けた固定子巻線とを備えた固定子と、前記固定子の内部に空隙を介して配置され、永久磁石と界磁巻線とを備えた円筒形回転子と、を有する回転界磁形同期機において、前記回転子の永久磁石は、磁路の磁気抵抗に対して起磁力が小さくなるように薄板状に形成されるとともに、巻回された前記界磁巻線の内側の部分の回転子鉄心において、半径方向に対して斜めに装着されていることを特徴とするものである。
また、前記永久磁石は、前記界磁巻線の内側の部分の回転子鉄心に、略Ｖ字状に対向状態に装着されていることを特徴とするものである。
また、前記永久磁石は、当該永久磁石の内周側の部分が、前記界磁巻線の内側の部分よりはみ出していることを特徴とするものである。
また、前記回転子鉄心は、前記永久磁石が装着された内回転子鉄心と、当該内回転子鉄心の磁極に巻回された前記界磁巻線の外周側に、前記内回転子鉄心と同軸に嵌合する外回転子鉄心とで構成されていることを特徴とするものである。
また、前記回転子鉄心を構成する鋼板は、積層する各々の積層面に、非導電性の皮膜または表面処理による非導電性の化合層を有することを特徴とするものである。
また、前記外回転子鉄心は、前記内回転子鉄心より軸方向の積厚が大きいこと特徴とするものである。
また、前記回転子は、前記回転子鉄心、前記界磁巻線、前記永久磁石、および回転子シャフトを含む部品が、樹脂で一体に構成されていること特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によると、次のような効果がある。
固定子巻線を備えた固定子と、永久磁石と界磁巻線とを備えた円筒形回転子を有する回転界磁形同期機において、前記回転子の永久磁石は、巻回された界磁巻線の内側の部分の回転子鉄心に装着されているため、永久磁石による磁束発生部と界磁巻線への通電による磁束発生部とを分割した構成ではなく、永久磁石による磁束発生部を減じていないため、磁束量を制御可能としながら、永久磁石のみを備えた回転子の磁束量に勝ることが出来、トルク増大等の高性能化と広範囲運転を両立できる回転界磁形同期機を提供できる。また、前記永久磁石は、磁路の磁気抵抗に対して起磁力が小さくなるように薄板状に形成されるとともに、巻回された前記界磁巻線の内側の部分の回転子鉄心において、半径方向に対して斜めに装着されているため、界磁巻線への通電により、従来の回転子表面の近傍で、着磁方向を半径方向に一致させて配置した永久磁石のみを備えた回転子の磁束量に勝る回転子とでき、トルク増大等の高性能化と広範囲運転を両立できる回転界磁形同期機を提供できる。しかも、前記永久磁石は、厚み方向に垂直に着磁された薄板状であるため、磁路を形成する回路の磁気抵抗に対して起磁力が小さく、磁極の磁束密度は比較的低位となる。そして、界磁巻線の影響を受け易く、磁束量を増減させる制御が容易となる。
また、前記永久磁石は、前記界磁巻線の内側の部分の回転子鉄心に、略Ｖ字状に対向状態に装着されているため、磁束が互いに加え合せとすることができる。また、前記永久磁石は、当該永久磁石の内周側の部分が、前記界磁巻線の内側の部分よりはみ出しているため、巻回された界磁巻線の内側の部分以外からも、磁束の集中が可能となる。
また、前記回転子鉄心は、永久磁石が装着された内回転子鉄心と、内回転子鉄心の磁極に巻回された界磁巻線の外周側に、内回転子鉄心と同軸に嵌合する外回転子鉄心とで構成されているため、高速回転時の耐遠心力性に優れた回転子となっており、広範囲運転が可能な回転界磁形同期機を提供できる。
また、前記回転子鉄心を構成する鋼板は、積層する各々の積層面に、非導電性の皮膜または表面処理による非導電性の化合層を有するため、回転子鉄心に生じる渦電流による鉄損の増加を防止できる。
また、前記外回転子鉄心は、内回転子鉄心より軸方向の積厚が大きいため、内回転子鉄心の磁極に巻回された界磁巻線を、遠心力に対し保持できる。
また、前記回転子は、回転子鉄心、界磁巻線、永久磁石、回転子シャフトを含む部品を、樹脂で一体に構成されているため、回転振動等による構成部品のがたつきや振動が発生せず、信頼性の高い回転界磁形同期機を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図２は、車両駆動用電動機または発電機に供する、本発明の第１実施例を示す回転界磁形同期機の軸方向断面図である。
図において、回転界磁形同期機は、固定子鉄心１０１に固定子巻線１０２を備えた固定子１０３と、図示しない永久磁石と界磁巻線１０７とを備えた円筒形回転子１０５を有する。回転子外部より界磁巻線への通電は、回転子シャフトの反負荷側に設置された１対のブラシ１１２とスリップリング１１３により、界磁巻線のリード線１１４を介して行う。本発明の回転界磁形同期機は、界磁巻線に通電することにより、永久磁石による磁束に、界磁巻線への通電による磁束が加算され、所望の磁束量に制御できる。
固定子巻線への通電は、固定子巻線のリード線１０４を介して行う。固定子１０３はフレーム１２１に保持され、フレームは負荷側に設置された負荷側ブラケット１２２に反負荷側ブラケット１２３とともに、図示しないボルトで締結されている。回転子１０５は、回転子シャフト１１１に設置された負荷側軸受１２４と反負荷側軸受１２５を介して、負荷側ブラケット１２２と反負荷側ブラケット１２３に回転自在に保持され、回転子シャフトの反負荷側には、回転位置検出のためのエンコーダ部１２６が設置されている。
回転子１０５は、回転子鉄心、界磁巻線１０７、永久磁石、回転子シャフト１１１を含む部品を、モールド樹脂１１０で一体に成形されているため、回転振動等による構成部品のがたつきや振動が発生せず、信頼性の高い構造となっている。
回転子鉄心は、内回転子鉄心１０８と、内回転子鉄心の磁極に巻回された界磁巻線１０７の外周側に、内回転子鉄心と同軸に嵌合する外回転子鉄心１０９とで構成されている。前記外回転子鉄心は、内回転子鉄心より軸方向の積厚が大きいため、内回転子鉄心の磁極に巻回された界磁巻線を、遠心力に対し保持できる。
前記回転子鉄心を構成する鋼板は、積層する各々の積層面に、非導電性の皮膜または表面処理による非導電性の化合層を有するため、回転子鉄心に生じる渦電流による鉄損の増加を防止できる。
【０００８】
図１は、本発明の第１実施例を示す回転界磁形同期機の径方向断面図である。
図において、回転界磁形同期機は、固定子鉄心１０１に固定子巻線１０２を備えた固定子１０３と、永久磁石１０６と界磁巻線１０７とを備えた円筒形回転子１０５を有する。
【０００９】
図３は、本発明の第１実施例を示す回転界磁形同期機の回転子の径方向断面図である。
図において、前記回転子の永久磁石１０６は、巻回された界磁巻線１０７の内側の部分の回転子鉄心に装着されている。
前記永久磁石１０６は、巻回された界磁巻線１０７の内側の部分の回転子鉄心において、磁路となる半径方向に対して斜めに装着されている。永久磁石は、平板状で厚み方向に垂直に着磁されたものを回転子鉄心の永久磁石埋め込み穴に装着しているが、無着磁で装着し、回転子を構成した後に、厚み方向に垂直に着磁されるように、回転子の外周より永久磁石を着磁しても良い。
回転子１０５は、回転子鉄心、界磁巻線１０７、永久磁石１０６、回転子シャフト１１１を含む部品を、モールド樹脂１１０で一体に成形されているため、回転振動等による構成部品のがたつきや振動が発生せず、信頼性の高い構造となっている。
回転子鉄心は、内回転子鉄心１０８と、内回転子鉄心の磁極部１０８aに巻回された界磁巻線１０７の外周側に、内回転子鉄心と同軸に嵌合する外回転子鉄心１０９とで構成されている。前記外回転子鉄心は、内回転子鉄心より軸方向の積厚が大きいため、内回転子鉄心の磁極に巻回された界磁巻線を、遠心力に対し保持できる。
前記永久磁石１０６は、略Ｖ字状に向かい合わせて装着されているため、磁束が互いに加え合せとなり、集中されて回転子表面の磁極１１５の磁束密度を向上しようと作用するが、永久磁石１０６を故意に薄く設計しているため、磁路を形成する回路の磁気抵抗に対して起磁力が小さく、磁極の磁束密度は比較的低位となる。そして、永久磁石を故意に薄く設計しているため、界磁巻線１０７の影響を受け易く、磁束量を増減させる制御が容易となる。
【００１０】
図４は、本実施例と同量の永久磁石を、磁路と着磁方向が同一になるように、磁路となる半径方向に対して垂直に装着した回転子を示すものであり、薄い永久磁石を、磁路となる半径方向に対して斜めに装着する効果を説明するためのものである。
また、図５は、本実施例と同形状の内回転子鉄心の磁極部に永久磁石を備えない回転子を示すものであり、薄い永久磁石を、磁路となる半径方向に対して斜めに装着する効果を説明するためのものである。
【００１１】
図６は、本実施例の回転界磁形同期機の内回転子鉄心の磁極部における、永久磁石の両面より見た永久磁石と磁路抵抗の動作点を説明するための、起磁力と磁束の関係を示すＦ−Φ曲線であり、永久磁石に対し磁路抵抗が負の起磁力として作用する領域を示している。
図において、aは図４に示した、本実施例と同量の永久磁石を、磁路と着磁方向が同一になるように、磁路となる半径方向に対して垂直に装着した回転子の永久磁石１３１から見た磁路のＦ−Φ曲線であり、磁路の磁束が大きくなるほど大きな負の起磁力が作用することを示している。
ｂは前記永久磁石１３１のＦ−Φ曲線であり、磁石の厚みが厚いため、磁路抵抗に対し、磁束が比較的低下しにくい特性を示している。この２つの曲線の交点f(Ff,Φf)が、前記永久磁石１３１の動作点である。
今仮に、前記永久磁石１３１を、装着する角度を変えないまま薄くした場合、永久磁石は磁路抵抗に対し敏感になるため、Ｆ−Φ曲線bはｃのように変化し、動作点もgへと変化する。
さらに永久磁石を、本実施例の永久磁石の厚みまで薄くすると、Ｆ−Φ曲線はdとなり、動作点も低下する。ところで図３に示した本実施例の永久磁石は、曲線dに示した薄い永久磁石を半径方向に対して斜めに２枚装着されているため、２枚の永久磁石１０６より発生する磁束は２倍となり、内回転子鉄心の磁極部におけるＦ−Φ曲線はeとなる。また、本実施例の、磁路となる半径方向に対して斜めに２枚装着された永久磁石と等価な、磁路となる半径方向に対して垂直に装着した永久磁石を仮想すれば、仮想した永久磁石から見た磁路のＦ−Φ曲線は、やはりaと考えられるため、この２つの曲線の交点h(Fh,Φh)が、仮想した永久磁石の動作点であり、本実施例の内回転子鉄心の磁極部における、起磁力と磁束の動作点を示している。
【００１２】
本実施例の動作点の磁束Φhは、Φfに比較して小さい。また、曲線eと、曲線bを比較すると、曲線eの方が磁路抵抗に対し敏感であり、負の起磁力に対し磁束は急激に低下するが、逆に正の起磁力に対し磁束は急激に増加することを示している。
例えば、曲線b上の動作点fに対し、磁路抵抗Ffに対抗する正の起磁力を界磁巻線１０７への通電により与えた場合、磁束ΦfはΦ１へと少量の増加にとどまるのに比べ、本実施例の曲線e上の動作点hに対し、磁路抵抗Fhに対抗する正の起磁力を界磁巻線１０７への通電により与えた場合、磁束ΦhはΦ2へと大きく増加する。
そのため、図３に示した本実施例の、薄い永久磁石を、磁路となる半径方向に対して斜めに装着した回転界磁形同期機の回転子の界磁巻線１０７への通電量を調整することで、図４に示した、本実施例と同量の永久磁石を、磁路と着磁方向が同一になるように、磁路となる半径方向に対して垂直に装着した回転子に比べ、磁束をより増大できるとともに、容易に磁束量を制御でき、トルク増大等の高性能化と広範囲運転を両立できる回転界磁形同期機を提供できるのである。
【００１３】
図７は、図３に示した本実施例の回転界磁形同期機の界磁巻線１０７への通電による起磁力と、内回転子鉄心の磁極部１０８aにおける磁束の関係を示すＦ−Φ曲線であり、図６に示したF−Φ曲線を、界磁巻線への通電がない状態を起磁力０としておき換えたF−Φ曲線の比較図であり、図中の曲線lがその特性を示している。
曲線mは図４に示した、本実施例と同量の永久磁石を、磁路と着磁方向が同一になるように、磁路となる半径方向に対して垂直に装着した回転子のＦ−Φ曲線であり、磁石の厚みが厚いため、界磁巻線への通電に対し、内回転子鉄心の磁極部１３３aにおける磁束が比較的変化しにくい特性を示している。
曲線nは図５に示した、本実施例と同形状の内回転子鉄心の磁極部１４３aに永久磁石を備えない回転子のＦ−Φ曲線であり、内回転子鉄心の磁極部に磁石がないため、界磁巻線への通電に対し、前記磁極部における磁束が最も大きく変化する特性を示している。ただし、磁石がないため、回転子の表面に界磁磁束を発生させるためには界磁巻線への通電が必要であり、本実施例以上の界磁磁束が得られる範囲も、曲線lとnの交点pより大きな起磁力を与えた範囲となり、それに至る範囲では常に本実施例以上の界磁巻線への通電を要して経済的でない。
車両駆動用電動機または発電機に供する本実施例の回転界磁形同期機のＦ−Φ曲線lにおいては、車両が通常要求される比較的小さいトルクを界磁巻線への通電なしに得られるように、Φhを設定することで、通常の走行において、図５に示した、本実施例と同形状の内回転子鉄心の磁極部に永久磁石を備えない回転子を有する回転界磁形同期よりも経済的に走行できる。また、電機子反作用や積極的な弱め界磁制御に対しても、界磁磁束の変化し易い本実施例の回転界磁形同期機は、図４に示した、本実施例と同量の永久磁石を、磁路と着磁方向が同一になるように、磁路となる半径方向に対して垂直に装着した回転子を有する回転界磁形同期機よりも、定出力特性に優れ、より大きな最大回転速度まで運転が可能となる。
一方、低回転速度で大トルクを要求される場面では、界磁巻線への通電により、図４や図５に示した回転界磁形同期機よりも、容易に大トルクが得られるのである。
【００１４】
図８は、図３に示した本実施例の回転界磁形同期機の磁界解析図の１例である。また、図９および図１０は、横軸に前記同期機の固定子巻線への負荷電流、縦軸を発生トルクとした解析結果の特性を、界磁巻線への通電量をパラメータとして示したものである。
【００１５】
図９は、実線で示す本実施例と、破線で示す図５に示した、本実施例と同形状の内回転子鉄心の磁極部に永久磁石を備えない回転子を有する回転界磁形同期機との比較を示すものであり、連続通電可能な電流と、その時発生するトルクを、共に１００％として横軸と縦軸にとり、その特性を示している。パラメータも同様に、永久磁石による磁束を増大する起磁力となる方向への、回転子の界磁巻線への連続通電可能な電流を１００％通電とし、各々の比較でその特性を示している。
図において、図５に示した、本実施例と同形状の内回転子鉄心の磁極部に永久磁石を備えない回転子を有する回転界磁形同期機では、通電なしではトルクが発生しないとともに、全ての界磁巻線と負荷電流の領域の発生トルクにおいて、本実施例の回転界磁形同期機に劣る結果であった。
【００１６】
図１０は、実線で示す本実施例と、破線で示す図４に示した、本実施例と同量の永久磁石を、磁路と着磁方向が同一になるように、磁路となる半径方向に対して垂直に装着した回転子を有する回転界磁形同期機との比較を示すものである。
図において、図４に示した、本実施例と同量の永久磁石を、磁路と着磁方向が同一になるように、磁路となる半径方向に対して垂直に装着した回転子を有する回転界磁形同期機に対し、本実施例の回転界磁形同期機は、界磁巻線への通電なしではトルクが劣るものの、界磁巻線への１００％通電では逆転し、さらに２００％通電では大きく優れる結果であった。結局、低回転速度で大トルクを要求される場面では、本実施例の回転界磁形同期機は、界磁巻線への通電により、図４や図５に示した回転界磁形同期機よりも、容易に大トルクが得られるのである。
また、図１０の−５０％通電による比較で示すように、永久磁石による磁束を減少する起磁力となる方向への通電を行うことで、図４に示した回転界磁形同期機よりもより、磁束を減少させることも可能であり、このことは、より広範囲な運転を可能にするとともに、高速回転時の鉄損の減少にも貢献できる。
【００１７】
以上のように、本実施例の回転界磁形同期機によれば、磁束量の最大値を増大し、磁束量を広範囲に制御可能とすることで、トルク増大等の高性能化と広範囲運転を両立できる、永久磁石と界磁巻線とを備えた円筒形回転子を有する回転界磁形同期機を提供することができるようになる。
本発明が特許文献１と異なる部分は、永久磁石による磁束発生部と界磁巻線の励磁による磁束発生部とを分割して設けた回転子でなく一体としている部分である。
本発明が特許文献２と異なる部分は、回転子表面に配置される磁極の部分に、永久磁石による磁束発生部と界磁巻線の励磁による磁束発生部とが分離されてなく一体としている部分である。
本発明が特許文献３と異なる部分は、回転子に界磁巻線を有する部分である。
【実施例２】
【００１８】
図１１は、本発明の第２実施例を示す回転界磁形同期機の回転子の径方向断面図である。
図において、前記回転子の永久磁石１５１は、巻回された界磁巻線１５２の内側の部分の回転子鉄心に装着されている。
前記永久磁石１５１は、巻回された界磁巻線１５２の内側の部分の回転子鉄心において、磁路となる半径方向に対して斜めに装着されている。永久磁石は、平板状で厚み方向に垂直に着磁されたものを回転子鉄心の永久磁石埋め込み穴に装着しているが、無着磁で装着し、回転子を構成した後に、厚み方向に垂直に着磁されるように、回転子の外周より永久磁石を着磁しても良い。
回転子は、回転子鉄心、界磁巻線１５２、永久磁石１５１、回転子シャフト１５６を含む部品を、モールド樹脂１５５で一体に成形されているため、回転振動等による構成部品のがたつきや振動が発生せず、信頼性の高い構造となっている。
回転子鉄心は、内回転子鉄心１５３と、内回転子鉄心の磁極部１５３aに巻回された界磁巻線１５２の外周側に、内回転子鉄心と同軸に嵌合する外回転子鉄心１５４とで構成されている。前記外回転子鉄心は、内回転子鉄心より軸方向の積厚が大きいため、内回転子鉄心の磁極に巻回された界磁巻線を、遠心力に対し保持できる。
前記永久磁石１５１は、巻回された界磁巻線１５２の内側の部分の回転子鉄心において、磁路となる半径方向に対して斜めに装着されているため、磁束が磁路となる半径方向に集中されて回転子表面の磁極１５７の磁束密度を向上しようと作用するが、永久磁石１５１を故意に薄く設計しているため、磁路を形成する回路の磁気抵抗に対して起磁力が小さく、磁極の磁束密度は比較的低位となる。そして、永久磁石を故意に薄く設計しているため、界磁巻線１５２の影響を受け易く、磁束量を増減させる制御が容易となるのは、第１実施例と同様である。
【００１９】
本発明が第１実施例と異なる部分は、巻回された界磁巻線の内側の部分の回転子鉄心に永久磁石を１枚のみ装着した部分である。
回転子が比較的小サイズであったり、巻回された界磁巻線の内側の部分の回転子鉄心が比較的細い場合、永久磁石を略Ｖ字状に２枚装着すると小スペースに複雑過ぎる構造となり、また、洩れ磁束が多くなり磁束の集中が不十分となることを避けるためである。
【実施例３】
【００２０】
図１２は、本発明の第３実施例を示す回転界磁形同期機の回転子の径方向断面図である。
図において、前記回転子の永久磁石１６１は、巻回された界磁巻線１６２の内側の部分の回転子鉄心に装着されている。
前記永久磁石１５１は、巻回された界磁巻線１５２の内側の部分の回転子鉄心において、磁路となる半径方向に対して斜めに装着されている。永久磁石は、平板状で厚み方向に垂直に着磁されたものを回転子鉄心の永久磁石埋め込み穴に装着しているが、無着磁で装着し、回転子を構成した後に、厚み方向に垂直に着磁されるように、回転子の外周より永久磁石を着磁しても良い。
回転子は、回転子鉄心、界磁巻線１６２、永久磁石１６１、回転子シャフト１６６を含む部品を、モールド樹脂１６５で一体に成形されているため、回転振動等による構成部品のがたつきや振動が発生せず、信頼性の高い構造となっている。
回転子鉄心は、内回転子鉄心１６３と、内回転子鉄心の磁極部１６３aに巻回された界磁巻線１６２の外周側に、内回転子鉄心と同軸に嵌合する外回転子鉄心１６４とで構成されている。前記外回転子鉄心は、内回転子鉄心より軸方向の積厚が大きいため、内回転子鉄心の磁極に巻回された界磁巻線を、遠心力に対し保持できる。
前記永久磁石１６１は、略Ｖ字状に向かい合わせて装着されているため、磁束が互いに加え合せとなり、集中されて回転子表面の磁極１６７の磁束密度を向上しようと作用するが、永久磁石１６１を故意に薄く設計しているため、磁路を形成する回路の磁気抵抗に対して起磁力が小さく、磁極の磁束密度は比較的低位となる。そして、永久磁石を故意に薄く設計しているため、界磁巻線１６２の影響を受け易く、磁束量を増減させる制御が容易となる。本実施例の構成は、第１実施例と同様である。
【００２１】
本発明が第１実施例と異なる部分は、巻回された界磁巻線の内側の部分に装着した永久磁石の内周側の部分が、巻回された界磁巻線の内側の部分よりはみ出している部分である。
回転子が比較的小極数であったり、巻回された界磁巻線の内側の部分の回転子鉄心が比較的太い場合、このようにすれば、巻回された界磁巻線の内側の部分以外からも、磁束の集中が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の回転界磁形同期機は、低い鉄損を維持したまま、高速回転化が可能となるため、工作機主軸や風力発電用発電機という用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施例を示す回転界磁形同期機の径方向断面図
【図２】本発明の第１実施例を示す回転界磁形同期機の軸方向断面図
【図３】本発明の第１実施例を示す回転界磁形同期機の回転子の径方向断面図
【図４】本実施例と同量の永久磁石を、磁路と着磁方向が同一になるように、磁路となる半径方向に対して垂直に装着した回転子
【図５】本実施例と同形状の内回転子鉄心の磁極部に永久磁石を備えない回転子
【図６】本実施例の回転界磁形同期機の内回転子鉄心の磁極部における、永久磁石の両面より見た永久磁石と磁路抵抗の動作点を説明するための、起磁力と磁束の関係を示すＦ−Φ曲線
【図７】図３に示した本実施例の回転界磁形同期機の界磁巻線１０７への通電による起磁力と、内回転子鉄心の磁極部１０８aにおける磁束の関係を示すＦ−Φ曲線
【図８】図３に示した本実施例の回転界磁形同期機の磁界解析図
【図９】本実施例の特性比較図
【図１０】別の本実施例の特性比較図
【図１１】本発明の第２実施例を示す回転界磁形同期機の回転子の径方向断面図
【図１２】本発明の第３実施例を示す回転界磁形同期機の回転子の径方向断面図
【図１３】従来の、永久磁石と界磁巻線とを備えた円筒形回転子を有する回転界磁形同期機の軸方向断面図
【図１４】従来の、別の永久磁石と界磁巻線とを備えた円筒形回転子を有する回転界磁形同期機の径方向断面図
【図１５】界磁巻線を備えていない、従来の、永久磁石を備えた円筒形回転子を有する回転界磁形同期機の径方向断面図
【符号の説明】
【００２４】
１０１  固定子鉄心
１０２  固定子巻線
１０３  固定子
１０４  固定子巻線のリード線
１０５  回転子
１０６  永久磁石
１０７  界磁巻線
１０８  内回転子鉄心
１０９  外回転子鉄心
１１０  モールド樹脂
１１１  回転子シャフト
１１２  ブラシ
１１３  スリップリング
１１４  界磁巻線のリード線
１１５  磁極
１２１  フレーム
１２２  負荷側ブラケット
１２３  反負荷側ブラケット
１２４  負荷側軸受
１２５  反負荷側軸受
１２６  エンコーダ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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